本發(fā)明涉及聲發(fā)射信號處理方法，特別是涉及一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法。

背景技術(shù)：

近年來，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)數(shù)量越來越多，隨之而暴露的風(fēng)電機(jī)組的問題也越來越多。風(fēng)電機(jī)組屬于大型機(jī)械設(shè)備，對于機(jī)械設(shè)備來說，螺栓起著至關(guān)重要的作用。近幾年，由于螺栓問題而導(dǎo)致的掉槳葉，塔筒折斷等時有發(fā)生。傳統(tǒng)人工巡檢的方式效率較低，費(fèi)時費(fèi)力，特別是對風(fēng)電機(jī)組輪轂螺栓進(jìn)行人工巡檢時，必須在風(fēng)電機(jī)組停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行，嚴(yán)重制約了風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)效率。因此，急需一種簡便、高效的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種自動化程度高、人工干預(yù)少、監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確、測量精度高的基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法，包括以下步驟：

(1)提取聲發(fā)射信號小波系數(shù)：

(2)將小波變換的系數(shù)處理成一個概率分布序列P_i：

其中，|W_x(a_i，t)|為小波系數(shù)值，M為小波系數(shù)取不同種尺度數(shù)；

(3)計算shannon小波熵，即：

(4)令fc＝1，得到shannon小波熵與不同f_b參數(shù)的關(guān)系曲線，關(guān)系曲線中當(dāng)shannon基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法小波熵最小時，所對應(yīng)的f_b就是控制小波形狀的最優(yōu)帶寬參數(shù)；

(5)根據(jù)最優(yōu)f_b計算最優(yōu)Morlet小波基函數(shù)，此時的小波基函數(shù)與采集到的聲發(fā)射信號最匹配，即：

式中f_b是最優(yōu)帶寬參數(shù)，用于平衡小波的時頻分辨率，決定波形振蕩衰減的快慢程度；f_c是中心頻率，決定了小波波形的振蕩頻率，可取f_c＝1；

(6)計算重分配尺度譜，即：

(7)根據(jù)重分配尺度譜特征，判定螺栓斷裂狀態(tài)。

本發(fā)明提供的基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法能夠?qū)崟r監(jiān)測風(fēng)電機(jī)組塔身和漿葉固定螺栓工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)螺栓裂紋、斷裂等情況，并提醒設(shè)備維護(hù)人員盡快開展檢修，從而提升風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法所采用裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法所采用裝置的前置放大電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法所采用裝置的DSP數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法的整體流程示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖1至4，進(jìn)一步說明本發(fā)明一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法的具體實施方式。本發(fā)明一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法不限于以下實施例的描述。

如圖1所示，是本發(fā)明一種風(fēng)電機(jī)組螺栓斷裂監(jiān)測裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖，包括用于采集聲發(fā)射信號的聲發(fā)射傳感器、用于數(shù)據(jù)預(yù)處理的前置放大電路、用于數(shù)據(jù)分析的DSP數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊和用于信息處理的計算機(jī)系統(tǒng)。DSP數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理系統(tǒng)為聲發(fā)射信號信號處理系統(tǒng)的硬件核心，計算機(jī)系統(tǒng)的信號分析和處理為聲發(fā)射信號處理系統(tǒng)的軟件核心，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置實現(xiàn)聲發(fā)射源監(jiān)測功能。DSP數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理系統(tǒng)可以高速、同步采集多通道聲發(fā)射信號，對預(yù)處理后的信號進(jìn)行高速傳輸，并實現(xiàn)信號的實時處理，包括濾32位PCI總線接口聲發(fā)射傳感器DSP數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理系統(tǒng)前置放大電路采集量化預(yù)處理邏輯控制計算機(jī)系統(tǒng)信息處理綜合分析顯示記錄波和參數(shù)提取。整個系統(tǒng)主要任務(wù)就是完成聲發(fā)射信號采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)分析和處理、顯示、存儲等系統(tǒng)功能。其工作流程是聲發(fā)傳感器采集的信號經(jīng)過前置放大電路放大后傳輸至DSP控制處理系統(tǒng)，基于PCI總線的DSP處理卡完成聲發(fā)射信號的量化采集、數(shù)字濾波和部分信息處理，通過數(shù)據(jù)經(jīng)總線送至通用計算機(jī)，由其完成數(shù)據(jù)的處理、分析與顯示，并對螺栓斷裂情況進(jìn)行報警。

聲發(fā)射傳感器將接收到的聲發(fā)射信號以電信號的形式輸出，其性能對測試結(jié)果非常重要，是聲發(fā)射檢測的一個重要環(huán)節(jié)。聲發(fā)射傳感器一般由壓電陶瓷材料制成，不同的頻率具有不同的靈敏度，選擇時主要考慮其諧振頻率、靈敏度、溫度范圍、結(jié)構(gòu)形式、信號接口等因素，特別是傳感器的諧振頻率應(yīng)滿足待測設(shè)備、材質(zhì)、耦合介質(zhì)等的需求，實際應(yīng)用時可以根據(jù)不同檢測目的和環(huán)境采用不同結(jié)構(gòu)和性能的傳感器。本發(fā)明需要對聲發(fā)射信號進(jìn)行波形分析，檢測的聲發(fā)射信號頻率在100k Hz～300kHz范圍，因此選用了PAC公司的WD型寬頻響應(yīng)差動結(jié)構(gòu)聲發(fā)射傳感器。該器件屬于壓電式傳感器，阻尼小、諧振時具有高達(dá)+60dB的靈敏度，帶寬為100kHz～2MHz。

如圖2所示，是本發(fā)明前置放大電路的結(jié)構(gòu)圖。由于聲發(fā)射傳感器輸出的電壓信號很弱，有時低至微伏數(shù)量級，如此微弱的信號若再經(jīng)過長線傳輸送入聲發(fā)射信號處理單元，信噪比必然要降低。因此，必須在聲發(fā)射傳感器附近設(shè)置前置放大器。本發(fā)明前置放大電路主要包括前置放大器、濾波器和主放大器三個部分，具有阻抗匹配、預(yù)放大和抑制噪聲等功能，濾波器的功能是濾除環(huán)境噪聲，主放器則具有聲發(fā)射信號電壓放大功能。經(jīng)過前置放大電路的處理可以將微弱的聲發(fā)射信號從噪聲中提取出來，放大后再經(jīng)過高頻同軸電纜長線傳輸給信號的處理單元。

前置放大器具有低噪聲、高增益的特點，還需具有比較大的輸出動態(tài)范圍。等效噪聲阻抗要與信號源的輸出阻抗相匹配，以防信號衰減。共模抑制比要高，使前置放大器與聲發(fā)射傳感器實現(xiàn)噪聲匹配，以達(dá)到最小的噪聲系數(shù)，提高信噪比。檢測微弱的聲發(fā)射信號時，由于信號是微伏級的，噪聲可能達(dá)到毫伏級，放大的噪聲其峰值會導(dǎo)致放大器后級過載，引起系統(tǒng)非線性失真，產(chǎn)生較大的測量誤差。因此前置放大器一個重要的技術(shù)指標(biāo)噪聲電平一般應(yīng)小于10微伏，這一級的電壓放大倍數(shù)不宜過高，以防止過載，通常設(shè)為10倍。另外對于單端器要配用單端輸入前置放大器，對于差動器要配用差動輸入前置放大器，后者比前者具有一定的抗共模干擾能力。因此本文選擇差動放大方式，聲發(fā)射傳感器的信號送入前置放大器的差動輸入端，聲發(fā)射信號產(chǎn)生相反極性的信號，它們的差值被放大，電磁干擾信號的極性相同，這樣就抑制了共模信號，信噪比得到較大提高。

濾波器具有帶通濾波功能，采用由低通濾波器和高通濾波器組合而成帶通濾波器。濾波器的工作頻率是依據(jù)環(huán)境噪聲和材料本身的聲發(fā)射信號頻率確定的。機(jī)械噪聲一般都在幾十千赫以下，如果采用帶通濾波器，在確定工作頻率f以后，只要再確定相對帶寬△f/f即可?！鱢/f過寬會引入外界噪聲，過窄會使聲發(fā)射信號減少，需要折衷考慮，

主放大器完成信號放大功能，為適應(yīng)不同的輸入信號幅度，放大器的增益可調(diào)，增益開關(guān)設(shè)置在本級放大中，以不破壞系統(tǒng)的噪聲特性。通過主放大器可將聲發(fā)射信號提高20～60dB，以滿足后續(xù)A/D接口電路的輸入電平要求。

如圖3所示，是本發(fā)明數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。聲發(fā)射信號能量主要集中在100KHz-150KHz，要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速采樣并進(jìn)行初步處理，以DSP和FPGA為核心構(gòu)成的嵌入式數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其單指令周期達(dá)到ns級，既可高速采集數(shù)據(jù)，又可通過PCI總線與計算機(jī)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。本發(fā)明選用TI公司的TMS320F2812作為核心處理器，32位CPU，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行32位乘法運(yùn)算，150MPS的執(zhí)行速度使得指令周期減小到6.7ns，可快速響應(yīng)中斷及中斷處理，使用C/C++和匯編語言編程，片內(nèi)高達(dá)128K字的FLASH存儲器完全滿足編程需要。為方便程序調(diào)試和修改，系統(tǒng)外擴(kuò)了CYPRESS公司的CY7C1041CV33SRAM，其容量為256K×16位，讀寫周期時鐘快達(dá)12ns，能夠與DSP進(jìn)行零等待狀態(tài)接口，可以有效保證DSP的運(yùn)算速度。

如圖4所示，本發(fā)明提出的一種基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法，主要包括以下步驟：

(1)提取聲發(fā)射信號小波系數(shù)：

(2)將小波變換的系數(shù)處理成一個概率分布序列P_i：

其中，|W_x(a_i，t)|為小波系數(shù)值，M為小波系數(shù)取不同種尺度數(shù)；

(3)計算shannon小波熵，即：

(4)令fc＝1，得到shannon小波熵與不同f_b參數(shù)的關(guān)系曲線，關(guān)系曲線中當(dāng)shannon基于小波分析的風(fēng)電機(jī)組聲發(fā)射信號處理方法小波熵最小時，所對應(yīng)的f_b就是控制小波形狀的最優(yōu)帶寬參數(shù)；

(5)根據(jù)最優(yōu)f_b計算最優(yōu)Morlet小波基函數(shù)，此時的小波基函數(shù)與采集到的聲發(fā)射信號最匹配，即：

式中f_b是最優(yōu)帶寬參數(shù)，用于平衡小波的時頻分辨率，決定波形振蕩衰減的快慢程度；f_c是中心頻率，決定了小波波形的振蕩頻率，可取f_c＝1；

(6)計算重分配尺度譜，即：

(7)根據(jù)重分配尺度譜特征，判定螺栓斷裂狀態(tài)。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。